基于DIC技术的煤样裂隙发育特征及应变演化规律分析

尚宇琦，熊 钰，孔德中 ，2，左宇军，程志恒，宋高峰，韩 森

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 公共大数据国家重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601；4.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144)

随着工作面回采，受采动影响煤体裂隙不断发育，含裂隙煤体导致煤层强度降低，极易诱发煤壁片帮、煤柱变形失稳以及端面冒顶等影响矿井安全高效生产的问题。研究煤体裂隙发育特征对煤层安全开采具有重要的工程实际意义，国内外学者对此也做出了大量的研究，并提出了较多的煤体裂隙研究技术及方法[1-4]，李文洲[5]等采用裂纹体积应变法和声发射法综合研究了煤样单轴压缩下起裂强度关键影响因素。CT扫描技术在煤样单轴和三轴压缩中裂隙演化的研究有较成熟的应用[6-8]；刘京红[9]等将分形理论和煤岩破坏CT扫描结果相结合分析，获得煤样裂隙扩展过程的分形维数。刘占新[10]等通过PFC数值模拟研究双轴压缩下煤样微观力学特征；刘永茜[12]等研究发现煤样在高速卸载过程中裂隙发育的能量消耗与卸载速率呈对数关系。

近年来，针对煤岩体应变场的研究多采用数字图像相关方法，将煤岩裂隙扩展和应变场演变相联系，通过对应变场的分析探究煤岩体的裂隙起裂、扩展规律[11-14]，王杰[15]等进一步构建岩石破坏预警指标；周子龙[16]等对不同孔洞数的花岗岩应变和裂隙进行监测分析，研究其应变演化及破坏特征；许海亮[17]等通过数字散斑技术，研究含弱夹层岩石变形破裂演化特征，并获得应变场分析结果；张天军[18]等运用数字图像相关技术，定量分析了软煤单轴压缩损伤演化特征。

经过大量研究，学者们对煤岩体裂隙扩展特征及演化规律已经有了较全面的认知，其中运用数字图像相关技术研究煤岩体应变场分布便具有较好的成效。但对于煤样单轴压缩下裂隙发育、应变演化特征及其二者之间的联系还需要深入研究。因此，本文将运用数字图像相关技术(DIC)更加深入地研究煤样单轴压缩下试件全局和局部的裂隙发育规律及应变演化特征，并探究二者之间的内在联系，从而得出煤样破裂的前兆信息，为煤壁片帮、煤柱变形失稳以及端面冒顶的预警提供一定的指导。

1 试验方案

1.1 试件制备

本次试验采用的3个煤样均取自同一采煤工作面，取样后首先经双面切割、打磨，制备为50mm×100mm的标准圆柱体试件，试件两端面不平整度误差均在0.05mm以内，且试样表面进行打磨以保证平整，可满足试验精度的要求。并对其编号分别为a-1、a-2和a-3，各试件相对较为完好。其次，对3个试件进行制斑处理，为了有效辨识散斑点，试件先后经过哑光白漆全面喷涂和哑光黑漆散点喷射。试件散斑制备如图1所示。

图1 试件散斑制备

1.2 试验设备及试验方案

试验采用贵州大学矿业学院微机数显式液压压力试验机。观测方法采用数字图像相关技术如图2所示，能够通过非接触光学测量获取试样表面变形场，以此对单轴压缩过程中3个煤样裂隙发育及应变演化进行监测及分析。

图2 实验相关设备

实验中DIC系统采用的双相机镜头选配焦距为25mm，分辨率为4096px×3000px，计算精度为0.01像素，相机与被测试件测量距离596.26mm，两相机之间的间距264.38mm。试件开始加载之前，首先根据以上参数对系统测量头和相机进行调试，其次选用小幅面标定板对相机标定，然后开始试件加载并进行相机采集，加载过程中相机采集触发间隔设置500ms(即相机每秒采集2幅试件图像)。试件加载采用力控制的方式，3个煤样保持同样的加载速率，直至试件破坏且无承载能力时停止试验。

2 煤体裂隙发育与全局应变分析

根据DIC系统相机采集的试件图像，分别自上而下布置3个监测点(图3中绿点)，同时为保障监测点结果的普遍性和全局性，将监测点尽量布置在试件的中部位置，具体如图3所示。

图3 试件全局应变监测点布置

现以试件a-1为例，根据试验结果首先获得试件加载载荷-采集幅数曲线如图4所示。

图4 试件载荷-采集幅数曲线

由图4可知，试件从a处开始稳定加载，且加载过程中载荷增长速率基本保持恒定，但分别在b、c、d和e处发生明显变化，其中d处为试件峰值载荷45.65kN，e处试件开始卸载。

根据试件加载过程中的全局监测，进一步对其全局应变演化过程进行分析。其中水平应变为正值，垂直应变为负值，说明试件在加载过程中水平应变为拉应变，垂直应变为压应变，且水平应变和垂直应变分别用于分析垂直裂隙和水平裂隙的发育情况。

2.1 试件全局应变演化过程分析

试件加载过程中DIC系统相机采集了全程图像和数据，并获得监测点1、2和3的应变-采集幅数曲线如图5所示。

图5 试件应变-采集幅数曲线

由图5可知，试件加载过程中存在多处明显的应变剧增或剧减现象，且与图4各处载荷的变化相对应，因此选取各处(a、b、c、d)典型的水平应变和垂直应变云图，分析其全局应变演化过程。具体如图6、图7所示。

图6 试件水平应变演化过程

图7 试件垂直应变演化过程

采集至a位置之前试件各监测点水平、垂直应变均无较大变化，部分应变云图上部边缘出现较大的应变集中现象，而试件大范围水平拉应变应变保持在0～0.054，垂直压应变保持在-0.049左右，可以得知该试件在初始加载过程中存在局部偏压现象，且在a位置之后，试件经变形调整偏压逐渐消失。

随着试件不断加载，a—b段内水平应变和垂直应变分别按正值和负值不断增长，且监测点1和2处的水平应变、垂直应变以及应变增长率均远大于监测点3，表明试件中上部变形较快。当采集至第375幅图像时，试件大范围水平拉应变和垂直压应变分别增长至0～0.247和-0.844～0，且最大水平拉应变和垂直压应变均集中分布在试件的左下方，试件大范围水平拉应变和垂直压应变分别瞬间减小至0～0.219和-0.753～0，但仍存在小范围应变增大，表示试件大范围变形减小，局部变形仍保持增大。

当试件大范围应变瞬间减小之后，b—c段内水平应变和垂直应变分别按正值和负值持续增长，且监测点1处水平应变、垂直应变远大于监测点2和3，试件上部变形仍然较快。当采集至第590幅图像时，试件大范围水平拉应变和垂直压应变分别增长至0～0.312和-0.871～0，且最大水平拉应变、垂直压应变及应变集中程度均保持增大。随后，试件大范围水平拉应变和垂直压应变分别增长至0～0.421和-0.905～0，且水平拉应变和垂直压应变集中程度瞬间增大。此外，新的水平应变和垂直应变集中现象同时出现在试件右上方，且试件右上方水平拉应变集中程度远大于左下方。

随着载荷不断增大，c—d段内水平应变和垂直应变分别按正值和负值持续增大。当采集至第664幅图像时，试件左下方仍存在较大水平拉应变和垂直压应变集中分布现象，而试件右上方仅具有较大水平拉应变集中分布，试件左侧散斑域发生破坏，然而试件右上方水平拉应变集中程度仍保持增大，且此刻垂直压应变又重新在试件右上方出现集中现象。

通过对试件全局应变演化过程分析，可以得知，试件在加载过程中应变出现多次剧增和剧减现象，但总体呈现增长趋势，同时试件中上部应变明显大于下部，意味着试件全程经历多次不同程度的变形，总体变形呈增大的趋势，且中上部变形较下部更快。此外，整个过程中水平应变集中分布较垂直应变集中分布更为明显，并主要位于试件的左下方和右上方两个位置，且左下方应变集中现象出现较早，由此表明试件全程受水平拉应力的影响较大，并在水平拉应力和垂直压应力的共同作用下，于试件左下方和右上方局部位置发生较大变形。

2.2 试件裂隙发育情况分析

基于对试件应变演化过程的分析，选取上述应变云图对应的典型裂隙图像，同时为多角度观察宏观裂隙的发育情况，结合左右两个相机采集的试件图像进行全面分析(左、右相机采集分别为图像0和图像1)，如图8所示。

图8 试件裂隙发育情况

如图8(a)所示，当采集第30幅图像时，初始加载过程中，由于试件存在局部偏压现象，应变最大值位于试件上部，试件经变形调整产生裂隙①；如图8(b)所示，当采集至第375幅图像时，最大拉应变位于裂隙③处，且裂隙③发生了明显张开现象，同时裂隙②也沿垂直分方向持续扩展；如图8(c)所示，当采集至第590幅图像时，裂隙②出现明显扩展，并在下端发生局部破坏，而此时试件最大水平拉应变仍位于裂隙③处。此外，试件右侧又新增裂隙④，试件右上方瞬间新增宏观倾斜裂隙⑤，同时最大水平拉应变和最大垂直压应变均位于该裂隙处；如图8(d)所示，当采集至第663幅图像时，在水平拉应力作用下该裂隙变化不大，但裂隙②处出现了明显的扩展和局部破坏现象。此后，试件持续加载，试件裂隙不在发育。

通过对试件裂隙发育情况的分析可以得知，试件在加载过程中，裂隙先由中上部开始发育，并经历多次瞬间张开和闭合现象，尤以试件左下方和右上方的裂隙③和⑤为主，且裂隙③较裂隙⑤更早发育，而试件全局裂隙呈现不断扩展和张开的趋势，直至试件破坏。全程中试件应变演化与裂隙发育情况相对应，且应变演化随裂隙发育同步进行，裂隙发育较快处往往存在明显的应变集中现象，其中倾斜或弯曲状裂隙处会同时存在水平应变和垂直应变集中现象。

3 裂隙发育处局部应变演化规律

通过对试件a-1的分析，已经明确其全局裂隙发育情况及应变演化过程。但在整个过程中由于试件局部裂隙的张开或闭合通常会导致试件全局应变的瞬间剧增或剧减，因此为更进一步探究局部裂隙发育和局部应变演化对试件全局应变的影响，还需针对局部裂隙进行深入分析。因此，选取试件典型局部裂隙③和⑤并分别布置监测点5和测点4(图9)，对其应变演化规律进一步分析总结。

图9 局部裂隙发育处应变监测点布置

如图10所示，分别获得裂隙③和⑤处的水平应变和垂直应变演化曲线。由监测点4可知，采集第590幅图像之前，裂隙⑤处水平应变和垂直应变均保持缓慢稳定增长，仅在第375幅图像处经历1次瞬间增大；当采集第591幅图像时水平应变瞬间增大，而垂直应变瞬间减小。由监测点5可知，采集第590幅图像之前，裂隙③处水平应变存在多处明显变化，而垂直应变分别经历过1次瞬间减小和瞬间增大，但总体增长趋势不变。

图10 局部裂隙应变-采集幅数曲线

对比试件全局应变分析结果，该局部应变演化与全局应变演化趋势基本一致，说明试件全局应变演化主要受局部裂隙③和⑤发育的影响。基于此，分别选取裂隙③和⑤位置处典型时刻的图像，进一步分析局部裂隙发育情况及其最大主应变特征。

3.1 裂隙③发育情况及最大主应变演化规律

当采集至第375幅图像时，裂隙③扩展和张开程度较大，水平应变和垂直应变快速增长，且水平应变较快，以拉应力为主，此时出现最大主应变集中现象，同时最大主应变增长至1.066～1.552，其方向与裂隙张开方向基本一致，且发生明显倾斜。当采集至第376幅图像时，由于裂隙呈现弯曲形态且张开较大，并诱导反方向的水平变形，裂隙出现闭合，从而导致垂直应变瞬间增大，水平应变瞬间减小。此外，最大主应变集中程度随之变小，其方向与裂隙闭合方向基本一致，且倾斜程度变小；当采集至第590幅图像时，裂隙③发生明显的张开，在此过程中其水平应变和垂直应变保持稳定增长，而此时最大主应变集中程度也明显变大，其方向与裂隙张开方向基本一致，且倾斜程度随之变大。当采集至第591幅图像时，裂隙发生微小的闭合，且此时最大主应变集中程度也随之变小，其方向与裂隙闭合方向基本一致；当采集至第663幅图像时，裂隙③发生微小的张开，在此过程中水平应变和垂直应变均保持稳定增长，其方向与裂隙张开方向基本一致。当采集至第664幅图像时，试件破坏，裂隙③发生明显的闭合，同时最大主应变也减小至1.173～1.755，其方向与裂隙闭合方向基本一致，近乎水平；当采集至第688幅图像时，裂隙③再次发生微小的闭合，在此过程中水平应变和垂直应变持续减小，同时最大主应变也随之减小，其方向的倾斜程度仍保持近乎水平。

图11 裂隙③发育情况

图12 裂隙③最大主应变特征演化

通过对裂隙③发育情况及其最大主应变演化规律的分析可以得知，在试件未破坏前并持续加载过程中，弯曲状裂隙往往会发生频繁的张开、闭合现象。裂隙张开主要受拉应力影响，弯曲裂隙闭合主要受垂直压应力发生较大的垂直变形，并诱导反方向的水平变形，从而出现垂直应变剧增，水平应变剧减以及最大主应变集中程度随之变小等现象。

3.2 裂隙⑤发育情况及最大主应变演化规律

当采集至第375、376幅时，监测点4位置处未出现宏观发育的裂隙，此时水平应变和垂直应变均发生瞬间增大，同时最大主应变也由第375幅的0.095～0.193增大至第376幅的0.129～0.338，最大主应变方向无明显变化；当采集至第590幅图像时，监测点4位置处仍未出现宏观裂隙，在此过程中水平应变和垂直应变保持稳定增长，而此时最大主应变增长至0.176～0.380。当采集至第591幅图像时，在较大水平拉应力下，宏观裂隙⑤瞬间产生，水平应变瞬间大幅度增大，并产生应变集中现象，同时最大主应变方向与裂隙张开方向基本一致，与裂隙扩展方向基本垂直，且发生明显倾斜；当采集至第663幅图像时，应变集中分布扩大但最大主应变大范围减小。当采集至第664幅图像时，试件发生破坏，在较大水平拉应力下，宏观裂隙⑤发生较小程度张开，水平应变瞬间增大、垂直应变瞬间减小，而此时最大主应变增大至1.755～2.902，其方向与裂隙张开方向基本一致，且发生明显倾斜；当采集至第688幅图像时，裂隙⑤发生微小的闭合，水平应变和垂直应变均减小，其方向与裂隙闭合方向基本一致，仅发生微小变化。

图13 裂隙⑤发育情况

图14 裂隙⑤最大主应变特征演化

通过对裂隙③和⑤发育情况及其最大主应变演化规律的分析可以得知，在较大水平拉应力作用下，裂隙快速张开，最大主应变集中程度变大，其方向与裂隙扩展方向基本垂直，与裂隙张开方向基本一致，且当试件裂隙瞬间产生或破坏时，最大主应变方向也会发生较大变化。其中当采集第591幅图像之后，试件裂隙将快速发育，而此刻采集幅数占试件破坏采集幅数的89%，处于试件加载后期。

4 结 论

1)试件应变演化与裂隙发育具有潜在的联系，裂隙发育处往往存在明显的应变集中现象，其中倾斜或弯曲状裂隙处会同时存在水平应变和垂直应变集中分布，且水平应变集中程度较大。

2)试件加载过程中，弯曲状裂隙会发生频繁的张开、闭合现象。在拉应力作用下裂隙不断张开，当弯曲裂隙张开程度较大时，因试件持续加载，在垂直压应力下往往会发生较大的垂直变形，并诱导反方向水平变形，从而导致裂隙发生闭合，出现垂直应变增大，水平应变减小等现象。

3)最大主应变的方向与裂隙张开方向基本一致，与裂隙扩展延伸方向基本垂直。当裂隙张开或扩展时，最大主应变增大，会出现明显的最大主应变集中现象；当裂隙闭合时，最大主应变减小，最大主应变集中程度也随之减小；随着裂隙张开或闭合，最大主应变方向也会发生明显不同的倾斜变化。

4)当采集幅数达到试件破坏幅数的89%时，处于试件加载后期，裂隙快速发育，而此后也表现出多处局部应变快速集中现象；此外，当试件裂隙瞬间产生或试件破坏时，最大主应变方向也会发生较大变化，该试验结果可作为试件破坏预警的前兆信息之一。